SMA%2fSi复合驱动膜的温度场仿真的研究.pdfVIP

SMA／Si复合驱动膜的温度场仿真研究 陈鉴王莉徐东程秀兰蔡炳初 上海交通大学微纳米科学技术研究院信息存储研究中心，上海200030 摘要本文利用有限元方法对SMA／Si复合驱动膜的温度场进行了仿真研究．研究表明，在 ． 周期性加热情况下，在驱动膜稳定工作后，si框的温度会稳定在一个与膜内温度相当的较高 值，而驱动膜内各处温度则在一固定的范围内随电脉冲周期振荡，各处振荡的幅度差别很大， 中心温度的振幅最大．在驱动膜内存在较大的温度梯度，在膜框结合处附近的温度梯度最大． 关奠词薄膜驱动器，形状记忆效应，温度场仿真，有限元分析 。。 j、， 、 1．引言 微泵是微流体系统重要的组件之一，在过去的二十年里．关于微泵的设计、制备的研究 已有许多报道，而其中的薄膜型微泵被认为是最有前途的一种微泵。泵膜的驱动原理有压电、 静电、热气动等多种，但它们产生的位移量一般较小，不能满足大位移输出的要求。T洲j形 状记忆合金(SMA)的驱动功密度大，能够产生较大的应变，非常适合在微执行器件设计方面 的应用，近两年已有应用于微泵驱动膜方面的设计1112]。但他们设计的提供偏置力的结构较复 杂．难以控制。我们设计的SMA／Si复合膜驱动器p】直接利用si良好的弹性来提供偏置力， 结构简单，可在一个Si片上用标准的Ic工艺加工而成。通过对图形化的电阻施加不同的电 ‘ 流方式来实现其不周驱动行为．易于控制。 由于驱动膜是靠对TiNi电阻条周期性的加热，使其温度产生变化而引起交替的正逆马氏 体相变而致形状记忆效应来实现驱动的．因此温度无疑是最重要的状态参数。本文利用有限 元方法对驱动膜在工作状态下温度的动态变化进行了仿真研究，这将有助于理解驱动膜的驱 动行为，也为驱动膜结构的进一步优化设计及得到最佳的工作参数提供指导。 2．仿真结果与讨论 本文分析所用有限元软件为 ANSYS5．5。考虑到驱动膜结构的对称性， 我们仅对其四分之一部分进行分析，分析 所用的有限元模型见图l。其中si膜厚为 151xm，TiNi厚为7姗。为简化分析，我们 作了一系列假设。假设材料的性能参数． 如比熟、热导率、膜换热系数等，不随温 度变化；暂未考虑相变潜热的影响；只考 虑内壁与水对流换热．忽略通过空气的散 热及辐射散热．由于对流换热系数很难实 法，尝试了一些典型数值，发现在取值为萋?袅竺躲裟釜誓妻 叭……模型 1200 W／m2K时得到的结果与实 表l材料性能参数表 验结果符合得很好，其它计算 所用参数见表l。室温为25℃， 对TiNi电阻条所加脉冲电流为 100mA、50Hz、占空比为l： l的矩形电流。 68 C O口 ¨ ……● 00 D川… lD 1’一m 图2温度随时间的变化关系 图3舢E处温度随时问的变化关系 图4不同位置处温度的变化范围 图5加热结柬时达到的最高温度轮廓图 由于TiNi膜与si膜厚度方向的尺度较之长 宽方向尺度小两个数量级，因此不考虑在厚度 方向上的温度梯度。图2为图1中所示膜中心A 位置与Si框E位置处温度随时间变化的关系。由 图可以看出．在加上脉冲电流毗后，A处温度 很快升高，在第一个加热周期就达到5212．并 在其后的冷却周期内很快降下来，而E处温度缓 慢升高，其在加热与冷却的周期